Il principio di indeterminazione di Heisenberg limita la precisione con cui possono essere misurate le variabili complementari. L'incertezza, però, possono essere "distese" in ampie strutture a pettine, dove ogni dente è ancora relativamente affilato, consentendo così misurazioni precise in un intervallo limitato. Credito:Christa Flühmann, ETH Zurigo
Il principio di indeterminazione di Heisenberg, la fondamentale impossibilità di misurare simultaneamente proprietà come posizione e quantità di moto, è al centro della teoria quantistica. I fisici dell'ETH di Zurigo hanno ora dimostrato un modo elegante per rilassare questa incompatibilità intrinseca utilizzando un oscillatore meccanico formato da un singolo ione intrappolato, aprendo un percorso sia per gli studi fondamentali che per gli usi pratici.
Il principio di indeterminazione di Heisenberg postula l'esistenza di un limite fondamentale alla precisione con cui le cosiddette variabili complementari, come posizione e slancio, può essere misurato. Questo è, più accuratamente si conoscono la velocità e la direzione (e quindi la quantità di moto) di una particella quantistica, meno possiamo essere certi della sua posizione. Sorprendentemente, questa limitazione intrinseca può essere attenuata quando le misurazioni estraggono funzioni periodiche di posizione e quantità di moto con una lunghezza caratteristica e una scala di quantità di moto, rispettivamente. In poche parole, l'incertezza in entrambe le variabili può essere distribuita in modo ampio, strutture a pettine in cui ogni dente è ancora relativamente affilato, consentendo così misurazioni precise in un intervallo limitato.
Christa Fluehmann e colleghi del gruppo di Jonathan Home nel Dipartimento di Fisica dell'ETH di Zurigo hanno ora esplorato l'uso di tali misurazioni modulari di posizione e momento per studiare il comportamento dinamico di un oscillatore meccanico costituito da un singolo ione intrappolato. Come riportano in un articolo apparso online oggi in Revisione fisica X , hanno usato sequenze di più misurazioni periodiche di posizione e quantità di moto, variando il periodo, potevano controllare se una misurazione disturbava o meno lo stato di quella successiva. A valori specifici del periodo, hanno scoperto che tali misurazioni possono prevenire disturbi, mentre altre scelte hanno prodotto un forte turbamento. L'osservazione dei disturbi è una firma che il singolo ione mostra un comportamento quantomeccanico, per un oscillatore classico, le misure modulari dovrebbero essere sempre imperturbate.
La capacità di regolare il grado di disturbo tra misurazioni successive apre la possibilità di eseguire test fondamentali della meccanica quantistica. La meccanica quantistica può essere distinta dalla fisica classica considerando le connessioni causali - quanto una misurazione perturba la successiva - e anche osservando le correlazioni tra le misurazioni. Fluehmann et al. esplorare quest'ultimo misurando correlatori temporali tra le misurazioni sequenziali e utilizzarli per violare la cosiddetta disuguaglianza di Leggett-Garg (che è anche intrinsecamente impossibile con un sistema puramente classico).
In questo caso, alcune delle violazioni non possono essere spiegate dal disturbo tra misurazioni successive. La relazione tra disturbo e violazione della disuguaglianza Leggett-Garg è sottile, ma entrambi i metodi certificano la natura quantistica degli stati dell'oscillatore. Infatti, questi stati sono tra gli stati di oscillatori quantistici più complessi prodotti fino ad oggi. Generalizzano il famoso esperimento mentale del gatto di Schroedinger a otto stati mesoscopici distinti, analogo a un gatto che si trova in fasi distinte della malattia piuttosto che essere semplicemente morto o vivo.
Per quanto riguarda le implicazioni pratiche, La misurazione modulare della posizione e della quantità di moto sono componenti centrali di una serie di proposte per il calcolo quantistico e i protocolli di misurazione di precisione che sfruttano le funzioni periodiche di posizione e quantità di moto per sfuggire al principio di indeterminazione di Heisenberg. Il lavoro di Fluehmann e dei suoi collaboratori fornisce un ingrediente fondamentale, la misurazione, per tali applicazioni, avvicinandoli così a portata di mano.